电子发射装置及其制造方法.pdf

一种电子发射装置，包括彼此相对设置并在它们之间有一预定间隙的一第一衬底和一第二衬底。一第一电极，形成在第一衬底上。一第二电极，形成在第一衬底上并与第一电极相交叉。每一第二电极包括一辅助电极和一形成的厚度小于该辅助电极厚度的主电极。一绝缘层，其插入在该至少第一电极和至少第二电极之间。至少一个阳极形成在该第二衬底上；以及形成在该至少一个阳极的一个表面上的荧光层。

1、  一种电子发射装置，包括：
彼此相对设置并在它们之间有一预定间隙的第一衬底和第二衬底；
至少一个形成在第一衬底上的第一电极；
至少一个形成在该第一衬底上并与所述第一电极相交叉的第二电极，每一第二电极包括一辅助电极及一形成的厚度小于所述辅助电极厚度的主电极；
一插入在所述至少一个第一电极和所述至少一个第二电极之间的绝缘层；
至少一个形成在所述第二衬底上的阳极；以及
形成在所述至少一个阳极的一个表面上的荧光层。

2、  如权利要求1所述的电子发射装置，其中所述电子发射区电连接到所述第二电极上。

3、  如权利要求1所述的电子发射装置，其中所述第二电极具有10-20mΩ/□的电阻。

4、  如权利要求1所述的电子发射装置，其中所述第二电极的主电极覆盖所述辅助电极。

5、  如权利要求4所述的电子发射装置，其中所述辅助电极的厚度为1-5μm。

6、  如权利要求1所述的电子发射装置，其中所述第二电极的主电极由至少两个叠层形成。

7、  如权利要求6所述的电子发射装置，其中所述至少两个叠层由不同的金属制成。

8、  如权利要求1所述的电子发射装置，其中每一所述主电极的一个长边的选定部分被移除从而形成发射体接收部分，并且电子发射区位于该发射体接收部分内。

9、  如权利要求1所述的电子发射装置，还包括离电子发射区一预定距离而装配在所述绝缘层上的对电极，该对电极电连接到所述第一电极上。

10、  如权利要求8所述的电子发射装置，其中每一所述对电极包括一个第一层，和一个形成在第一层上并具有厚度小于所述第一层厚度的第二层。

11、  如权利要求1所述的电子发射装置，其中所述电子发射区选自包括碳纳米管，石墨，石墨纳米纤维，纳米导线，金刚石，金刚石一样的碳，C₆₀，或是这些物质的组合。

12、  一种制造电子发射装置的方法，包括：
使用一透明导电物质在第一衬底上形成第一电极；
通过在第一衬底上沉积一透明绝缘物质而形成一绝缘层并覆盖住所述第一电极；
通过在所述绝缘层上印刷一厚层电极物质而形成第二电极的辅助电极；
通过在所述绝缘层的整个表面上沉积金属并将金属构图而在所述辅助电极上形成第二电极的主电极，该主电极具有大于所述辅助电极的宽度；以及
通过将一电子发射物质沉积到所述第一衬底的一整个表面上而在所述第一衬底上形成发射体，选择性地硬化该电子发射物质，随后显影该电子发射物质。

13、  如权利要求12所述的方法，其中辅助电极的形成包括印刷一层银膏，随后烘干并烧结该银膏。

14、  如权利要求12所述的方法，其中所述辅助电极形成的厚度为1-5μm。

15、  如权利要求12所述的方法，其中主电极的形成包括沉积一种选自铬，铝，和钼的金属，并对该金属构图。

16、  如权利要求12所述的方法，还包括形成一牺牲层，对该牺牲层构图以形成发射体将要配置在那里的开口，形成并对该牺牲层构图是在主电极的形成和发射体的形成之间进行的。

17、  如权利要求16所述的方法，其中发射体的形成包括将电子发射物质沉积到所述牺牲层的一整个表面上，从一外部表面将紫外线照射到所述第一衬底上由此选择性地硬化该电子发射物质，以及通过显影而移除被硬化了的电子发射物质的部分。

18、  如权利要求16所述的方法，其中在形成发射体之后，所述牺牲层被构图以将部分牺牲层遗留在阴极的主电极上。

19、  如权利要求12所述的方法，其中绝缘层的形成还包括在绝缘层内形成通孔，辅助电极的形成还包括将在所述通孔中填充一厚层电极从而在通孔中形成对电极的第一层。

20、  如权利要求19所述的方法，其中阴极主电极的形成还包括对一金属层构图以便部分该金属层遗留到所述对电极的第一层上从而形成该对电极的第二层。

电子发射装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种电子发射装置，特别是涉及一种电子发射显示装置及其制造方法，该电子发射显示装置包括由纳米材料制成的发射体以及用于控制电子发射的栅电极。
背景技术
目前，在厚层工艺领域已经进行了一些研究，例如丝网印刷，用于形成电子发射区域。该电子发射区域使用纳米材料形成，其能在10-100V的低电压激励条件下发射电子。
适于形成该发射体的纳米材料包括碳纳米管(CNT)，石墨纳米纤维(GNF)，以及纳米导线。其中，CNT用作发射体显得很有前景，因为它们能在1-10V/μm的低电场条件下发射电子。
常规的利用碳纳米管的电子发射装置及其制造方法的例子公开于美国专利第6359383号和第6436221号中。
当电子发射装置采用三电极结构，即阴极、阳极和栅电极时，它们可具有如图5中所示的公知构型。参照图5，栅电极3形成在背面衬底1上。绝缘层5形成在栅电极3上。阴极7形成在绝缘层5上。发射体9形成在绝缘层5和阴极7上。在正面侧衬底11上形成有阳极13和荧光层15。阴极7由金属薄层形成，例如，厚度为2000-4000的铬(Cr)、铝(Al)、或钼(Mo)。
使用上面的构型，在栅电极3和阴极7之间不可能发生短路。而且，通过在背面衬底1的最上层上形成发射体9，一厚层工艺例如丝网印刷可容易地被实行。这些因素使得制造相对地简单，并且在制造大显示装置时具有优势。
但是，上述由金属薄层制成的阴极7有一些问题。首先，当施加一高电压于阳极13来激励时，在该显示设备内可能会发生弧光放电。在该情形下，由金属薄膜形成的阴极7可能被这种弧光放电损坏。此外，在大显示设备中，为了实现移动图像和多重灰色，很有必要使得阴极7的电阻非常的小。但是，减小由金属薄膜制成的阴极7的电阻是有限制的(它们目前具有的电阻为3-5Ω/□)。
导电的厚层物质，其不会被弧光放电损坏并具有一较低的电阻，已被考虑作为金属薄膜的一种替代。但是，当使用金属薄膜作为精细布线图案时，对于导电的厚层物质来说是不可能的。另外，厚层物质限制了增加分辨率的能力。而且，由于导电的厚层物质不抗酸，使用酸性蚀刻剂来移除牺牲层(未显示)将损坏该厚层物质。
因此，当阴极使用金属薄层形成时，将使用一种典型的方法，即形成更厚的阴极来减小电阻。但是，需要大量的时间来实行该方法和形成该电极的其余工艺。而且，该电极损坏的问题仍然存在。
发明内容
在本发明的一个具体实施例中，提供了一种电子发射装置及其制造方法，其中当发生弧光放电时可使对阴极的损坏最小化，该阴极的电阻值被减小从而允许容易地实现移动的图像和多重灰色。
一种电子发射装置，其包括彼此相对设置并在它们之间有一预定间隙的第一衬底和第二衬底；第一电极，其形成在第一衬底上；第二电极，其形成在该第一衬底上并与第一电极相交叉，每一第二电极包括一辅助电极和一形成的厚度小于该辅助电极厚度的主电极；一绝缘层，其插入在该至少第一电极和至少第二电极之间；至少一个形成在该第二衬底上的阳极；以及形成在该至少一个阳极的一个表面上的荧光层。
电子发射区电连接到所述第二电极。
第二电极具有10-20mΩ/□的电阻。
第二电极的主电极覆盖所述辅助电极，并且该辅助电极的厚度为1-5μm。
第二电极的主电极由至少两个叠层形成，并且该两层由不同的金属制成。
每一所述主电极的一个长边的选定部分被移除从而形成发射体接收部分，并且该电子发射区位于所述发射体的接收部分内。
该场发射显示装置还包括远离电子发射区一预定距离而装配在所述绝缘层上的对电极，该对电极电连接到所述第一电极上。
每一所述对电极包括一个第一层，和一个形成在第一层上并具有厚度小于所述第一层厚度的第二层。
该电子发射区是一种纳米材料或者是含碳物质，碳纳米管，石墨纳米纤维，纳米导线，石墨，金刚石，金刚石一样的碳，C₆₀(球壳状碳分子)，以及这些物质的组合。
一种制造电子发射装置的方法，包括使用一种透明导电物质在第一衬底上形成第一电极；通过在第一衬底上沉积一种透明绝缘物质而形成一绝缘层并覆盖住所述第一电极；通过在所述绝缘层上印刷一厚层电极物质而形成第二电极的辅助电极；通过所述绝缘层的一整个表面上沉积一种金属并构图而在所述辅助电极上形成第二电极的主电极，所述主电极具有大于所述辅助电极的宽度；以及通过将一种电子发射物质沉积到所述第一衬底的一整个表面上而在所述第一衬底上形成发射体，选择性地硬化该电子发射物质，随后显影该电子发射物质。
辅助电极的形成包括印刷一层银(Ag)膏，随后烘干并烧结该银膏。主电极的形成包括沉积一种选自铬(Cr)，铝(Al)，和钼(Mo)的金属，并对该金属构图。
该方法还包括形成一牺牲层，对该牺牲层构图以形成该发射体将要配置在那里的开口，形成并对该牺牲层构图是在主电极的形成和发射体的形成之间进行的。在这种情形下，发射体的形成包括将电子发射物质沉积到所述牺牲层的整个表面上，从一外部表面将紫外线照射到所述第一衬底上从而选择性地硬化该电子发射物质，以及通过显影而移除被硬化了的部分电子发射物质。
绝缘层的形成还包括在该绝缘层内形成通孔，辅助电极的形成还包括在所述通孔中填充一厚层电极从而在通孔中形成对电极的第一层。并且，该阴极主电极的形成还包括对一金属层构图以便部分该金属层被遗留到所述对电极的第一层上从而形成该对电极的第二层。
附图说明
图1是根据本发明一具体实施例的一种场致发射显示装置地部分分解透视图。
图2是沿图1中I-I线的场致发射显示器的部分截面图，其中场致发射显示器以一种装配好了的状态显示。
图3是一种场致发射显示装置选定部件的部分截面图，其用于描述根据本发明另一具体实施例的阴极。
图4A-4E是用于描述制造根据本发明一具体实施例的场致发射显示装置的截面图。
图5是一种常规的场致发射显示器的部分截面图。
具体实施方式
参照图1和图2，一具体实施例的电子发射装置包括彼此相对设置并在它们之间具有一预定间隙的第一衬底2和第二衬底4，从而形成一真空装配。通过在第一衬底2上形成一电场而提供了一种能发射电子的结构，通过第二衬底4上的发射电子的相互作用而提供了一种能实现预设图像的结构。
更详细地，栅电极6形成在正对着第二衬底4的第一衬底2的一个表面上。栅电极6以色条图案状沿一方向而形成(例如，图中的Y轴方向)。而且，绝缘层8形成在第一衬底2的一整个表面上并覆盖住栅电极6。阴极10以色条图案状沿一基本上垂直于栅电极6的长轴方向而形成在绝缘层8上(例如，图中的X方向)。
每一阴极10包括由导电的厚层物质形成的辅助电极14，和由金属薄膜物质形成的且其厚度小于辅助电极14的主电极16。
当电子发射装置的像素区域由栅电极6和阴极10相互交叉的区域所限定时，发射体12配置于沿着主电极16的一个长边上，并与每一相应的像素区域的同一电子发射区相接触。
辅助电极14是通过一金属糊，比如银(Ag)、Al、或铜(Cu)糊的丝网印刷而形成的薄膜。辅助电极14具有一10-20mΩ/□的极低的电阻，并可阻止阴极10电压的降低。主电极16是通过对一种诸如铬(Cr)，铝(Al)，或钼(Mo)的金属进行沉积并构图而形成的薄膜。
形成的主电极16的宽度大于辅助电极14的宽度，并覆盖辅助电极14。主电极16的这种厚度以允许其全部覆盖辅助电极14。主电极16的厚度(如800-3000)小于辅助电极的厚度(如1-5μm)。
沿主电极16的一个长边的预定区域被移除从而形成发射体接收区18。发射体12以与主电极16相接触的状态配置在发射体接收区18内(注释：在图1中，为参考方便，发射体12的一部分从一发射体接收区18上被切除以暴露该发射区18的一部分)。
在本发明具体实施例中，主电极16由一单金属层制成。在另一具体实施例中，参照图3，主电极16以多层构型形成。在图3所示的具体实施例中，主电极16包括第一金属层16a，和形成在第一金属层16a上的第二金属层16b。在一实施例中，第一和第二金属层16a、16b由不同的并具有选择性蚀刻度的金属形成。第二金属层16b可作为对发射体12进行构图的牺牲层。当在激励电子发射装置的过程中由于高电压阳极电场而引起弧光放电时，第二金属层16b也可用于使得第一金属层16a和辅助电极14的损坏最小化。
形成的该具体实施例的发射体12是具有大体上相同的厚度的电子发射源。在一实施例中，发射体12由纳米材料如碳纳米管，石墨纳米纤维，或纳米导线制成。发射体12也可由这些物质的组合制成。而且，发射体12可由一种含碳物质比如碳纳米管，石墨，金刚石，金刚石一样的碳，或C₆₀(球壳状碳分子)制成。发射体12也可由这些物质的组合制成。
并且，形成在绝缘层8之上的第一衬底2上的是对电极20。对电极20吸引栅电极6的电场至绝缘层8的一个上部的、暴露在外的表面。而且，对电极20通过穿透形成在绝缘层8内的通孔8a而形成为与栅电极6电接触。对电极20以离发射体12一预定的距离形成在阴极10之间。对电极20允许一较大密度的电场施加给发射体12并从发射体12提供更好的电子发射。
每一个对电极20包括由一导电的厚层物质形成的第一层22，和由金属薄膜形成的且其厚度小于第一层22厚度的第二层24。第一层22被填充在通孔8a内以允许方便地形成第二层24，并允许栅电极6和第二层24之间良好的电通信。
形成在正对着第一衬底2的第二衬底4的一个表面上的是阳极26。荧光屏32包括荧光层28和形成在阳极26上的背层30。阳极26由一透明的物质比如氧化锡铟(ITO)制成。
一金属层(未显示)可配置于荧光屏32上以通过提供一金属壳效应而增加屏幕亮度。当一金属层通过该方式配置于第二衬底4上时，使用该金属层替代阳极26是可能的。也即，在这种情形下，没有必要形成阳极26。
在第一衬底2和第二衬底4之间安装有间隔件34这一状态下，沿第一和第二衬底2，4的相对边使用一密封剂(未显示)比如玻璃料以使其相互连接。并且，在第一和第二衬底2，4之间的空气通过一个排出孔(未显示)排出以完成真空装配。而且，一网眼状的格板(未显示)可安装在第一和第二衬底2，4之间。该格板用于使从发射体12发射的电子聚焦。
在上述电子发射装置结构中，预定的外部电压施加给栅电极6，阴极10，以及阳极16以激励该电子发射装置。例如，几伏至几十伏的正电压施加给栅电极6，几伏至几十伏的负电压施加给阴极10，以及几百伏至几千伏的电压施加给阳极16。
因此，由于栅电极6和阴极10之间的电压不同，在临近发射体12处产生一个电场，这样电子从发射体12发射出来。结果，施加给阳极16的高正电压吸引所形成的电子束，该电子束因此附着于预期像素的荧光层28上并照亮该荧光层。图像可通过贯穿该电子发射装置而选择性地实行这些操作来实现。
由于阴极10的极低电阻的辅助电极14，阴极10电压的减小可最小化，这样，可容易地实现移动图像和多重灰色图像。即使是大屏幕电子发射装置也是这种情形。而且，辅助电极14具有高度的弹性，这样即使是主电极16由于产生的弧光放电而损坏，辅助电极14也可阻止阴极10短路的问题。此外，阴极10的主电极16允许制作精细的布线图案，这样可更好的形成阴极10和发射体12以便能获得高分辨率。
下面将参照附图4A-4E描述制造本发明电子发射装置的方法，这些截面图显示了制造根据本发明的一个具体实施例的电子发射装置的顺序步骤。
首先，参见附图4A，一透明的导电物质比如ITO通过溅射或涂覆法被沉积到透明的第一衬底2的一个表面上。该导电物质随后通过常规的方法被制成布线图案以形成栅电极6。
随后，一透明的绝缘物质被印刷，烘干，并被烧结到其上形成有栅电极6的第一衬底2的整个表面上从而形成绝缘层8。通过重复印刷，烘干及第二次的烧结，该绝缘层可形成大约10-30μm的厚度。通孔8a通过光刻蚀法或湿蚀刻法形成在绝缘层8内从而暴露栅电极6。通孔8a被用于随后形成对电极20，该对电极20电连接到栅电极6。
此外，一厚层电极物质比如银(Ag)膏被印刷，烘干，并被烧结到绝缘层8上以便形成辅助电极14。辅助电极14具有一10-20mΩ/□的较低的电阻。在一实施例中，辅助电极14的厚度被限制为1-5μm以便使主电极16(其在随后的步骤中将要形成)能全部覆盖住辅助电极14。一感光的厚层电极物质可被用作辅助电极14，在这种情形下，该厚层电极物质通过曝光而制成布线图案并显影成为辅助电极14。
当辅助电极14通过使用厚层电极物质形成时，该厚层电极物质也被印刷到通孔8a上以便通孔8a被该厚层电极物质所填充。结果，对电极20的第一层22形成在通孔8a内。第一层22减小了第二层24和通孔8a之间的高度不同从而能容易地形成第二层24。
随后，参照附图4B，一种金属比如Cr，Al，或Mo被沉积到第一衬底2上。该金属随后通过使用光刻蚀法从而在辅助电极14上形成主电极16，以及在第一层22上形成第二层24。因此，形成了包括主电极16和辅助电极14的阴极10，以及包括第一和第二层22，24的对电极20。
形成的主电极16的宽度大于辅助电极14的宽度由此完全覆盖辅助电极14。这样可以通过移除在后续步骤中形成的一牺牲层的过程中而使用的一牺牲层蚀刻剂阻止辅助电极14的损坏。在主电极16的构图过程中，发射体接收部分18如图1所示沿着主电极16的一个长边而形成，也即，正对着对电极20的主电极16的边缘。
随后，参见附图4C，一金属物质被沉积到形成在第一衬底2上的所有暴露在外的部分上，在这之后，通过实行光刻蚀法形成牺牲层36，该牺牲层36具有相应于发射体接收部分18位置处的开口。一种不同于用于主电极16的金属被用于牺牲层36。例如，如果Cr被用于主电极16，Al可被用于牺牲层36。
随后，呈糊状的一种感光电子发射物质被丝网印刷到第一衬底2的所有暴露在外的部分上。在一实施例中，其主要成分为碳纳米管的一种感光电子发射物质可被丝网印刷。随后紫外线穿透第一衬底2的一背部表面而照射以选择性地硬化填充在发射体接收部分18内的电子发射物质。那些没有被硬化的电子发射物质通过显影被移除从而形成厚度为几微米(μm)的发射体12。完成后的发射体12显示在图4D中。
随后，所有的牺牲层36通过使用一种牺牲层蚀刻剂被移除从而得到如图4D所示的构型。可替代地，如果并不是全部的牺牲层36都被移除，而是选择性地在主电极16和第二层24上残留一些，将得到如图4E所示的构型。在图4E中，阴极10的主电极16具有一个叠层结构，其包括第一和第二金属层16a，16b，并且对电极20的第二层24具有一叠层结构，其包括第一和第二金属层24a，24b。
在形成图4D或4E的结构之后，间隔件34(见图2)被固定到第一衬底2上。随后，如图1所示，在形成阳极26以及在第二衬底4上形成荧光屏32之后，一密封剂被施加到第一和第二衬底2，4的相对边缘从而相互连接第一和第二衬底2，4。第一和第二衬底2，4之间的空气随后被排出，从而完成FED装置。
在上文描述的构型中，栅电极6是条纹状的，阳极26形成在第二衬底4的整个内表面上。但是，本发明并不限定于这种考虑，在第一衬底2的整个内表面上形成栅电极，以及阳极和阴极以条纹状图案沿着相垂直的方向形成也是可能的。
在上文所述的本发明电子发射装置中，阴极的辅助电极具有极低的电阻。因此，阴极电压的降低可最小化以便允许容易地实现移动图像和多重灰色，即使是该电子发射装置被做成大的尺寸。而且，即使是在真空装配中由于弧光放电而导致主电极被损坏，具有高弹性的辅助电极可阻止阴极的短路。并且，由金属薄膜制成的主电极，允许阴极和发射体的精细布线图案制作。这有助于获得高分辨率的图像。
尽管上文已结合一些具体实施例对本发明的实施例作了详细描述，应该理解本发明并不限定于这些所公开的具体实施例，但是，与此相反，正如所附的权利要求一样，在本发明的精神和范围内可包括各种改进和/或等效的配置。